基於幾何代數的時空統一數據模型構建理論與方法

《基於幾何代數的時空統一數據模型構建理論與方法》是依託南京師範大學，由閭國年擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：基於幾何代數的時空統一數據模型構建理論與方法
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：閭國年
• 依託單位：南京師範大學

項目摘要

針對現有GIS數據模型對多源數據集成困難、時空分離、時空-語義-屬性分割、分析效率低下，以及對地理分析模型支撐不足等問題。本項目引入幾何代數理論，從地理時空的統一表達、描述與計算的基礎理論與方法為切入點，發展以時空統一、多源信息集成表達、可支撐地理模型運算與分析為特徵的新型GIS時空數據模型- - 基於幾何代數的時空統一數據模型。通過研究地理時空的統一表達模式及其向幾何代數空間的映射與轉化模式，建立幾何、時間、語義、關係及屬性數據的幾何代數整體表示方法，實現對複雜地理對象及動態地理過程的有效表達與建模。建立基於幾何代數的時空統一數據模型與現有GIS數據模型轉換方法，並建立該數據模型與現有GIS和地理分析模型的集成模式，實現數據模型與地理模型在表達、計算與分析上的有效統一。本項目研究可為地理時空數據的表達、建模、計算與模型分析提供新的思路，為雲計算與物聯網時代的新型GIS發展奠定理論和方法基礎。

結題摘要

本項目針對以歐氏幾何和計算幾何為基礎的傳統GIS空間數據模型時空、多維表達不統一，缺乏代數化結構支撐地理計算等問題，從地理信息科學研究的整體脈絡出發，原創性地引入統一時空觀與幾何代數理論進行時空統一數據模型構建理論與方法研究。項目研究獲得了如下成果：1、研究了地理時空與幾何代數時空間的映射轉換機制，形成了適用於地理對象及動態地理過程時空表達的概念模型；2、構建了“六要素”（地理語義、時空定位、幾何形態、演化過程、要素關係、屬性特徵）幾何代數時空數據模型；3、設計了表達-組織-存儲-檢索-計算結構一致的多重向量樹（MVTree）數據結構；4、開發了可用於幾何代數GIS算法快速開發與並行最佳化的計算引擎；5、從數據耦合、模型集成和模型改造三個不同的視角探討了幾何代數在模型構建、模型改造和模型耦合運行方面對地理分析模型的支撐；6、最後將本項目方法推廣套用於應急疏散、南極冰蓋模擬、感測器數據解析等領域。項目研究成果在國內外權威刊物上發表研究論文59篇，其中SCI/SSCI檢索論文41篇、EI檢索論文11篇，申請國家發明專利15項，其中授權3項，培養博士研究生7名，碩士研究生18名。項目研究成果在地理環境演化過程重建、模擬與預估得到套用，並獲2017年教育部自然科學一等獎。研究顯示，從維度統一與多重信息表達與集成的視角進行時空數據模型構建，探索幾何、時間、語義、關係、屬性的統一表達模式，打破現有GIS數據模型對坐標高度依賴的表達與計算模式，從數據模型層面實現對地理計算與地理分析模型構建與運算的直接支撐，有望從計算理論與方法上直接對各類地理計算進行統一與簡化，有效提高GIS和地理分析模型的運行效率，實現GIS理論、方法與套用模式的跨越發展。